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Distanzzeitrelais zum Schutze elektrischer Anlagen Es ist bekannt,
zum Schutz elektrischer Kraftverteilungsnetze gegen die Wirkung von Kurzschlüssen
Relais zu verwenden, deren Auslösez-eit proportional reit der Impedanz, Reaktanz
oder Resistanz der zwischen der Kurzschlußstelle und dem Ort des Relais liegenden
Leitungsstrecke ansteigt.
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Man hat derartige Distanzrelais als sogenannte Wegzeitsysteme gebaut.
Bei dieser Ausführungsform von Distanzzeitrelais wird eine von der Kurzschlußspannung
am Ort des Relais abhängige Strecke mit einer vom Kurzschlußstrom abhängigen Geschwindigkeit
durchlaufen und dann der Ölschalter ausgelöst. Bei Relais, welche diesen Bedingungen
gehorchen, lösen bekanntlich die beiden der Kurzschlußstrecke am nächsten, benachbarten
Relais zuerst aus, so daß dann die fehlerhafte Leitungsstrecke stillgelegt ist.
Es ist bekannt, derartige auf dem Wegzeitrelaisprinzip beruhende Relais mit einem
Bimetallstreifen als Stromsystem zu bauen und als Spannungssystem entweder ebenfalls
einen Bimetallstreifen zu verwenden oder @ einen Elektromagneten. In beiden Fällen
tritt jedoch der Nachteil auf, daß der bzw. die Bimetallstreifen während der Ablaufzeit
des Relais durch Erschütterungen zum Schwingen gebracht werden und daher falsch
auslösen können. Man kann ein auf dem Wegzeitprinzip beruhendes Distanzrelais auch
derart ausführen, daß man die beiden Bimetallstreifen oder den Strombimetallstreifen
mit ,dem Anker des Spannungsmagneten gelenkig verbindet, so daß die Strecke von
der Ruhelage des beweglichen Systems bis zum Auslösekontakt unter stetem einander
Entgegenwirken des Strom-und des Spannungssystems durchlaufen wird. Wenn bei dieser
Ausführungsform auch innerhalb der Ablaufzeit des Relais die beiden gelenkig miteinander
- verbundenen Systeme sich in jedem Augenblick so einstellen, daß Kräftegleichgewicht
herrscht, so handelt es sich doch nach wie vor um ein Wegzeitsystem, und es tritt
auch der obenerwähnte Nachteil auf, daß während der Ablaufzeit durch Erschütterungen
einer oder beide Bimetallstreifen in Schwingungen versetzt werden können, so daß
das Relais falsch auslösen kann.
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Es ist ferner bekannt, ein Distanzrelais als sogenanntes Kippsystem
zu bauen. Dabei wirkt eine Kraft, die von der Kurzschlußspannung abhängig ist, einer
anderen Kraft, die mit einer vom Kurzschlußstrom abhängigen Geschwindigkeit ansteigt,
entgegen. Wenn diese zweite vom Kurzschlußstrom abhängige Kraft der von der Kurzschlußspannung
abhängi.
gen gleich geworden ist, wird ein Kipphebel umgelegt und
der Auslösekontakt des Relais geschlossen. Man kann dieses Prinzip eines Distanzrelais
daher auch als Kraftvergleichssystem bezeichnen.
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Wenn man bei einem Relais dieser letzteren Art die vom Kurzschlußstrom
abhängige, zeitlich ansteigende Kraft mittels einer Spiralfeder erzeugt, die mit
einer vorm Kurzschlüß-Strom angetriebenen Wirbelströmscheibe allinählich gespannt
wird, gibt man von vornherein einen Hauptvorteil des Kraftviergleichssystems preis,
der darin besteht, daßr die Bewegungsvorgänge bei einem Kraftviergleichssystem gegenüber
einem Wegzeitsystem weitgehend reduziert werden können.
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Man kann ein Kraftvergleichssystem auch in der Weise ausführen, daß
man der Kurzschlußspannung und dem Kurzschlußstrom je einen Elektromagneten zuordnet,
die auf den obenerwähnten Kipphebel entgegengesetzt gerichtete Kräfte ausüben. Es
ist dann noch eine Vorrichtung notwendig, welche den Erregerstrom des Strommagneten
mit einer vom Kurzschlußstrom abhängigen Geschwindigkeit zeitlich ansteigen läßt.
1.n diesem Fall müssen jedoch bei der Umlegung des Kipphebels die Eisenanker beider
Elektromagneten beschleunigt werden, was dazu zwingt, die Ablaufzeiten der Relais
verhältnismäßig lang zu wählen und also eine schnelle Auslösung der Ölschalter nach
dem Eintreten des Kurzschlusses verhindert.
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Gemäß der Erfindung soll ein Bimetallstreifen oder ein anderes vom
Kurzschlußstrom erwärmtes thermisches Element, welches unmittelbar, eine im Sinn
der Auslösung des Relais wirkende und mit der Zeit anwachsende Kraft erzeugt, in
einem Kippsystem, d. h. in .einem Kraftvergleichssystern, verwendet werden, derart,
daß ein von der Kurzschlußspannung abhängiger Elektromagnet vorhanden ist, dessen
ohne Zeitverzögerung wirksame magnetische Kraft einen Anker so lange gegen den festen
Anschlag drückt, bis das thermische Element den Anker von. dem Anschlag abhebt und
dabei ohne Zeitverzögerung die Auslösung des Ölschalters herbeiführt. .
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Ein derartigesRelais ist gegenüber einem Kr aftvergleichssystem mit
zwei Elektromagneten insofern im Vorteil, als zur Auslösung des Relais nur ein Anker
gegenüber zweien beschleunigt werden muß. Gleichzeitig wird der Nachteil des Bimetallstreifens
bei den bekannten Wegzeitsystemen vermieden, da der Bimetallstreifen während der
ganzen Ablaufzeit des Relais vom Spannungsmagneten festgehalten wird und deshalb
nicht schwingen kann. Ferner kann man den Volt-Ampere-Verbrauch des Spannungsmagneten
sehr viel kleiner halten, da nur ein sehr viel kleinerer Luftspalt im Spannungsmagneten
vorhanden zu sein braucht, was wegen der Möglichkeit, das Spannungssystem am einen
kapazitiven Spannungswandler anzuschließen, außerordentlich wichtig ist. Gegenüber
den obenerwähnten bekannten Kraftvergleichssys#emen wird ferner eine bedeutende
konstruktive Vereinfachung, die der Störungsanfälligkeit des Relais zugute kommt
und im praktischen Betrieb oft eine entscheidende Rolle spielt, insofern erzielt,
als die thermische Trägheit des Bimetalistreifens den zeitlichen Anstieg der auf
den Anker auszuübenden # Kraft mit einer vom Kurzschlußstrom abhängigen Geschwindigkeit
besorgt, so daß die obenerwähnte Wirbelstroinscheibe oder entsprechende Schaltelemente
erspart werden können.
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Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem auch die Arbeitsweise
erläutert wird. Fig. 2 und 3 zeigen verschiedene Abänderungen, während Fig. q. einen
Zeitmesser für die Auslösezeit darstellt.
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In Fig. i sind a und b die zu überwachenden Leitungen. Der
Stromwandler 26 erzeugt in seiner Sekundärwicklung einen dem Kurzschlußstrom proportionalen
Strom, der über den Überstrommägneten i und die beiden geschlossenen Kontakte 2
fließt.
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Bei einem Kurzschluß wird der Magnet i erregt, der Anker 3 wird angezogen,
und die Kontakte 2 werden geöffnet. Der Strom fließt dann zurück über die Primärwicklung
des Stromwandlers q.. Die Sekundärwicklung 5 dieses Stromwandlers ist über einen
Bimetallstreifen 6 geschlossen, welcher sich bei :Stromdurchgang erwärmt. An dem
Biinetallstreifen ist ein Sperrhaken 7 befestigt, der einen Arm 8 mit den Auslösekontakten
23 in der geöffneten Stellung hält.
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Wenn der Bimetallstreifen erwärmt wird, wird er sich nach oben krümmen
und .den Auslöserarm 8 freigeben. Diese Bewegung wird aber von einem Spannungsmagneten
9 verhindert, welcher einen mit dem Bimetallstreifen fest verbundenen Anker io anzieht.
Dieser Magnet 9 ist über einen Spannungswandler 27 an die Spannung U des kurzgeschlossenen
Kreises a b oder an einen Teil dieser Spannung angeschlossen und verhindert,die
Bewegung des Bimetallstreifens und somit des Sperrhakens 7, solange die Kraft, mit
welcher die Spannung U den Anker anzieht; größer ist 'als die Kraft, die der Bimetallstreifen
6 hervorbringt. Der Strom-Wandler q. ist so gesättigt und sein Eisenquerschnitt
ist so bemessen, daß die Stromstärke im Bimetallstreifen proportional mit 17J ansteigt.
Der Eisenkreis des Spannungsmagneten g ist ebenfalls gesättigt, insbesondere
Kern
und Anker, und besitzt einen Luftspalt, so daß die Anziehungskraft proportional
mit U wird (T und U sind Effektivwerte von Strom und Spannung
im Kurzschlußkreis a b). Der Bimetallstreifen 6 wird deswegen eine Kraft erzeugen,
die anfänglich proportional mit- der Zeit und mit der Stromstärke ansteigt: k1 =
Cl # t # J.
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Das Relais wird auslösen, wenn diese Kraft größer wird als die vom
Spannun@gsmagneten9 hervorgebrachte Kraft: k, = c2# U. Die Auslösezeit
ergibt sich deswegen aus:
Die Auslösezeit wird also direkt proportional mit
d. h. mit der Impedanz des Kurzschlußkreises a b.
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Damfit die Auslösezeit unabhängig, von der Temperatur der Umgebung
wird, ist ein zweiter Birnetallstreifen 12 außerhalb des Stromkreises der Sekundärwicklung
5 angebracht, welcher sich entgegengesetzt dem Bimetallstreifen 6 krümmt und mit
diesem über ein Gelenk 13 verbunden ist. Falls die Bimetallstreifen gleiche
und entgegengesetzt wirkende Kräfte erzeugen, wird ein Temperatureinfiuß der Umgebung
ganz vermieden. Damit die Spannungsspule 33 nicht zu warm wird und dabei den Streifen
6 erwärmt und ferner, um den ständigen Volt-Ampere-Verbrauch herabzusetzen, wird
zweckmäßig dievolleSpannung erst bei Überstrom oder Kurzschluß auf der Anlage eingeschaltet.
Oft will man aber auch die Spannungsspule und den Spannungskreis im normalen Betriebe
kontrollieren können. Man kann beides erreichen, wenn die Spannungsspule im normalen
Betriebe in Reihe mit einem Vorwiderstand 20 liegt, der bei Kurzschluß auf der Anlage
a, b vom Überstrommagneten i mittels der beiden Köntakte 24 kurzgeschlossen wird.
Zur Kontrolle kann der Vorwiderstand ganz oder teilweise aus einem Miniamperemeter
21 oder einem anderen Strommesser bestehen, so. daß man im normalen Betriebe leicht
einen Fehler im Spannungskreis feststellen kann.
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Damit der -Bimetallstreifen nicht unnötig stark erwärmt wird, kann
der Auslösearm 8 auch ein zweites Kontaktpaar 25 betätigen, welches die Stromkreise
des Distanzrelais ganz oder teilweise kurzschließt. Dies ist von besonderer Bedeutung
für Anlagen, wo die Ölschalter lange Ansprechzeiten besitzen, oder zur Schonung
des Relais beim Versagen der Ölschalter. Der Luftgpalt 2z des Spannungsrnägneten
kann mittels einer unmagnetischen Stellschraube 14 eingestellt werden und in dieser
Weise die, Steilheit der Auslösekennlinäe geändert werden. Eine weitere Änderung
kann man durch verschiedene Anzapfungen 36 der Spannungsspule 33 erreichen (Fig.
2). Damit die Stromspulen i und 4 des Relais einem günstigen Strombereich angepaßt
werden können, kann man dieselben in mehrere Teile auftrennen, die man `bei der
Einstellung ,des Relais in Serie oder parallel schalten kann (43 und 44 Fig. 2).
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Das beschriebene Relais besitzt keine besondere Kontrolle der Energierichtung.
Man kann dies noch dadurch erreichen; daß man, wie in Fig. i gezeigt, die Auslösekontakte
23 in Reihe mit den Kontakten 28 eines besonderen Richtungsrelais schaltet. Der
Strom von der Batterie 30 wird dann- die Auslösespule 29 des Ölschalters
erst erregen können, wenn die beiden Kontaktpaare 23 und 28 geschlossen sind.' Zur
Kontrolle -der Energierichtung kann man auch ein besonderes. Wattfneter 32 von bekannter
Konstruktion einbauen, derart, daß es mechanisch mittels eines Sperrarmes 31 die
Bewegung des Auslösearmes 8 entweder freigeben oder verhindern kann, unabhängig
von :der Stellung des Sperrhakens 7.
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Falls man eine @dreiphasigeAnlage schützen will, können die Bimetallstreifen
38, 39 und 40 von den drei Phasen gespeist werden und eine gemeinsame Auslöseordnung
betätigen, wiedies in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Falle kann man auch zweckmäßig
ein gemeinsames Wattmeter 37, z. B. in der Zweiwattmeterschaltung, verwenden, welches
durch eine mechanische Verriegelung 41 des Auslösearmes die Energierichtung kontrolliert.
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Damit das Relais mechanischen Beeinflussungen (Schlägen. und Stößen)
gegenüber unempfindlich wird, kann man, zweckmäßig,den Überstrommagneten i so ausbilden,
daß er mechanisch den Auslösearm 8 verriegelt, z. B. mittels eines Armes 42 (Fig.
i). Das Relais wird dann nur auslösen können, wenn der Anker 3 des Überstrommagneten
angezogen ist. Wenn der Anker 3 in seine Ruhelage wieder zurückgeht, wird -der Arm
42 die Auslösekontakte 23 wieder öffnen.
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Das bisher gezeigte Relais arbeitet ganz unabhängig von dem Phasenwinkel
zwischen Strom und Spannung im Kreise a b. Falls aber eine gewisse Winkelabhängigkeit
erwünscht sein. sollte, z. B. über gewisse Winkelbereiche eine angenäherte Reaktanzabhängigkeit,
kann dies dadurch erreicht werden, daß ein Teil 34 der Wicklung des Spannungsmagneten
9 vorn Kurzschlußstrom erregt wird (Fdg. 2). Mittels eines einstellbaren Nebenwiderstandes
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kann man eine geeignete Phasenverschiebung der beiden Magnetisierunigsströme einstellen.
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Um den Abstand der Fehlerstelle vom Orte des Distanzzeitrelais angeben
zu können, muß man die Auslösezeit des Distanzzeitrelais kennen. Dies kann dadurch
erreicht werden, daß der Überstrommagnet i mittels eines besonderen Kontaktes eine
Stoppuhr in Gang setzt, die stehenbleibt, wenn der Auslöseköntakt z3 geschlossen
wird öder wenn der Überatrommagnet i zurückgeht. In Fig. q. ist eine einfache Ausführung
eines derartigen Zeitmessers gezeigt. Ein Bimetallstreifen 15 wird von einer Heizwicklung
16 erwärmt, welche über einen Kontakt 17, der vom überstrommagneten i betätigt wird,
an eine konstante Spannung u angeschlossen wird. Der Bimetallstreifen 15 bewegt
einen Schleppzeiger 18, solange der Kontakt 17 geschlossen' bleibt. Wenn das Distanzzeitrelais
ausgelöst hat, fällt der Überstrommagnet i zurück, das Bimetall 15 wird nicht länger
erwärmt und kehrt nach einer Weile in seine Anfangslage zurück. Die Skala des Schleppzeigers
18 kann unmittelbar in Sekunden geeicht werden. Für eine bestimmte Charakteristik
der Anlage kann man die Skala auch direkt in Kilometern eichen. Sollte die Spannungsquelle
u für den Zeitmesser nicht genügend konstant sein, kann man eines der bekannten
Hilfsmittel i9 anwenden, z. B. E.isenwasserstoffwiderstände, damit die Spannung
am Zeitmesser konstant wird.